GENERELLE FREMGANGSMÅTER TIL Å STYRKE METALLENE

Transkript

1 GENERELLE FREMGANGSMÅTER TIL Å STYRKE METALLENE 6 Strengthening mechanisms of metallic metals (lectures notes) MATERIALSTYRKE, FLYTEGRENSE OG HARDHET - vanligvis KNYTTET TIL kriterier for begynnende og i makroskopisk målestokk MÅLBAR PLASTISK DEFORMASJON PLASTISK DEFORMASJON er betinget av at GLIDNING kan finne sted MELLOM ATOMPLAN prosessen avhengig av HVOR LETT DISLOKASJONER KAN BEVEGE SEG i strukturen metallenes kan styrkes ved å: BEGRENSE ANTALL DISLOKASJONER HINDRE DISLOKASJONSBEVEGELSE i praksis ikke mulig å begrense antall dislokasjoner HVORDAN styrke metallene ved å HINDRE DISLOKASJONSBEVEGELSE? 4 muligheter: REDUSERE KORNSTØRELSEN innlegere elementer som danner blandkrystaller med grunnmetallet, LØSNINGS- ELLER BLANDKRYSTALLSTYRKING innlegere elementer som danner nye faser, PARTIKKEL- ELLER UTFELLINGSSTYRKING kalddeformering, DEFORMASJONSSTYRKING ELLER FASTNING Henning Johansen side 1

2 REDUSERE KORNSTØRRELSEN plastisk deformasjon kan måles - når lokal glidning har funnet sted glidning er forårsaket av skjærspenninger - τ glidning fra et korn til nabokornet - vanskelig hvis glideplan og glideretning ikke passer sammen dislokasjonene hoper seg opp langs korngrensene - uordnede områder opphoping av dislokasjoner - gir lokal spenningskonsentrasjon proporsjonal med antallet spenningskonsentrasjonen - kan aktivere dislokasjonskilde i et gunstig orientert plan i nabokornet for flyting - prosessen må være i gang i større målestokk Dislokasjonsopphoping på en korngrense, skjematisk. Henning Johansen side 2

3 i en strekkstav med enakset spenning er τ maks = 0,5 σ hvor: τ maks = maksimal skjærspenning σ = normalspenning det kan vises (fra linærelastisk bruddmekanikk) at flytegrensen, R e, kan skrives som k R e i (Patch - Hall ligning) D hvor: σ i = friksjonsspenning, motstand mot glidning mellom atomplan. Konstant for et bestemt materiale. k = konstant avhengig av kornstørrelsen (vanligvis k = 2) D = ferrittkornstørrelsen (midlere kornsekant) materialstyrken ligger i det 3-dimensjonale nettverk som korngrenseflatene representerer jo større nettverkstetthet, jo større materialstyrke Flytegrensens avhengighet av kornstørrelsen i bløtt stål. - Extent of Grain Size Strengthening in Different Materials steeluniversity Henning Johansen side 3

4 LØSNINGS- ELLER BLANDKRYSTALLSTYRKING - innlegere elementer som danner blandkrystaller med grunnmetallet innlegering ved å benytte elementer som danner blandkrystaller med grunnmetallet - øker materialfastheten eksempler: messing : kobber (Cu) legert med sink (Zn) bronse : kobber (Cu) legert med tinn (Sn) flytegrensen øker med innholdet av legeringselementet 2 METODER: A) blandkrystallstyrking ved SUBSTITUSJONSLØSNING B) blandkrystallstyrking ved ADDISIONSLØSNING (MELLOMROMSLØSNING) - Solid Solutions steeluniversity Henning Johansen side 4

5 A) blandkrystallstyrking ved SUBSTITUSJONSLØSNING løste atomer lager fortrekninger i atomgitteret - p. g. a. forskjellen i atomstørrelse en større spenning kreves for å tvinge dislokasjonene gjennom gitteret de løste atomene danner "atmosfærer" omkring dislokasjonene når dislokasjoner blir tvunget til å bevege seg ut av "atmosfæren", reorganiserer atomene seg det oppstår en fortrekning av gitteret Oppløste atomer finner mer stabile plasser i omrader omkring en stabil dislokasjon. nødvendig spenning til å bevege dislokasjonene øker noen atomer følger med dislokasjonen, nye blir plukket opp underveis, nye "atmosfærer" dannes resultat - "atmosfærene" danner bremse på dislokasjonens bevegelse - Size Factor I steeluniversity Reorganisering av atomene etter at dislokasjonene har beveget seg ut. Henning Johansen side 5

6 styrkeveksten er større jo større gitterfortrekning for kubisk flatesentrert struktur - styrken ofte proporsjonal med konsentrasjonen av legeringselementet i atom-% Kobber, Cu, danner blandkrystaller med mange forskjellige elementer, styrken proporsjonal med konsentrasjonen i atom-% Henning Johansen side 6

7 B) blandkrystallstyrking ved ADDISJONSLØSNING (MELLOMROMSLØSNING) gitterfortrekning pr. oppløst atom blir mye større (enn ved substitusjonsløsning) sjelden maksimal utnyttelse p.g.a. sterkt begrenset løselighet stor praktisk betydning eksempler: DEFORMASJONSELDING I STÅL HERDING AV STÅL 6 Strengthening mechanisms of metallic metals (lectures notes) Henning Johansen side 7

8 FLYTEGRENSE OG DEFORMASJONSELDING I STÅL C, og N går i mellomromsløsning i Fe, plasserer seg i "atmosfærer" omkring dislokasjonene ved lave σ, alle dislokasjoner fastlåst, elastisk deformasjon ved R eh (øvre flytegrense) : τ så høy at dislokasjonene løsrives ved R el (nedre flytegrense): plastisk deformasjon med atomplanglidning stigning ved fortsatt deformasjon, deformasjonsstyrking kurve b: - avlasting og umiddelbar pålasting - kontinuerlig overgang fra elastisk til plastisk deformasjon kurve c: - avlasting og liggetid - oppløste atomer diffunderer tilbake til dislokasjonene - ved pålasting, ny spenningsspiss - DEFORMASJONSELDING Spenning- tøyningsdiagram for bløtt stål. Linje c angir eldingssprøhet. - Introduction to Strain Ageing steeluniversity Henning Johansen side 8

9 ved værelsestemperatur, etter et par dager NATURLIG ELDING ved C, virkning etter 20-30min. KUNSTIG ELDING fastlåste dislokasjoner gir økt R e i udeformert stål, en fordel deformasjonselding er forbundet med høy σ i stedsbegrensede områder hvor dislokasjoner løsrives og resulterer i sprekker. ELDINGSSPRØHET i moderne stål begrenses innholdet av N for å redusere faren for eldingssprøhet Henning Johansen side 9

10 PARTIKKEL - ELLER UTFELLINGSSTYRKING - innlegere elementer som danner nye faser når et legeringselement tilsettes i en slik mengde at oppløsningsgrensen ved værelsestemperatur overskrides, opptrer det en ny fase i strukturen utfellinger kan skje fra fast fase - opptrer da som finfordelte partikler en dislokasjon har vanskeligheter med å passere et slikt partikkelnett som da oppstår Skjærspenningen, τ, i glideplanet driver dislokasjonen ut i buer mellom partiklene - etterlater dislokasjonsringer Dislokasjonsringer. partiklene fører til flytegrenseøkning i materialet i stål forekommer utfellingene ofte som niobkarbid, NbC, og vanadiumnitrid, VN - Dislocation/Pricipitate or Particle Interactions II steeluniversity Henning Johansen side 10

11 en koherent sone forstyrrer modergitteret i et større område - mest effektivt eksempel: herdbar Al - Cu legering med 6% Cu ved hurtig avkjøling fra C - overmettet løsning med Cu-atomene jevnt fordelt i gitteret - noe økning av flytegrensen ustabil tilstand - eks. lagring ved ca. 150 C - Cu-atomene løper sammen til mindre plateformede områder - flytegrensen synker til verdi omtrent for lagring høyeste flytegrense oppnås før koherensen brytes dobling - oppnås ved langsom avkjøling til romtemperatur etter legeringsbestemt tid overmettet oppløsning overgangsstruktur likevektstruktur det praktiske problem er forbundet med å stanse prosessen ved OVERGANGSSTRUKTUREN som gir ØNSKET KOMBINASJON AV FLYTEGRENSE OG DUKTILITET Mekanismen ved partikkelstyrking. (a) overmettet opplosning (b) en koherent sone dannes (c) og (d) når sonen vokser, brytes koherensen - coherent and Incoherent Particles steeluniversity Henning Johansen side 11

12 DEFORMASLONSSTYRKING ELLER FASTNING - kalddeformering i alle metaller og legeringer øker flytespenningen med graden av plastisk deformasjon materialet FASTNER utnyttes bevisst ved kaldvalsing og kaldtrekking eksempel: Ren Al og rent Cu kan oppnå flytegrenseøkninger opp til 100 ganger verdien før valsing ved plastisk deformasjon blir kornene forlenget i deformasjonsretningen, det dannes deformasjonsstruktur eller fiberstruktur mekaniske og fysiske egenskaper blir derfor mer eller mindre retningsavhengige mekanismen bak deformasjonsstyrking er komplisert og enda ikke helt forstått Hardhet og bruddforlengelse som funksjon av kalddeformasjonsgrad - Work Hardening steeluniversity Henning Johansen side 12

13 mekanismen i polykrystallinsk materiale det foregår glidning på mange forskjellige plan samtidig, kornene ville ellers ikke henge sammen dislokasjoner i de enkelte glideplan må krysse hverandre det dannes 3-dimensjonalt nettverk av nesten ubevegelige dislokasjoner det er en grense for teknologisk utnyttelse av fastning, videre deformasjon gir sprekker ustabil struktur, kan oppheves ved varmebehandling Dislokasjoner som krysser hverandre ADDITIV VIRKNING Flere styrkemekanismer kan virke samtidig Eksempel: Korngrensestyrking og partikkelstyrking, og en større eller mindre grad av plastisk deformasjon er nesten alltid tilstede. De ulike bidragene er ikke nødvendigvis uavhengige av hverandre. Vi regner likevel at virkningen kan summeres når enkeltbidragene ikke er for store. Henning Johansen side 13